입자물리학자와 나눈 일문일답 대화와 참고자료들

“아이쿠! 질량을 부여하는 입자라고요?”

‘우주 만물 입자에 질량을 부여하는 신의 입자’ ‘질량의 근원을 설명해줄 단서가 되는 입자’라는 수식어를 달고 다니는 힉스 입자의 정체가 궁금했다. 많은 얘기를 들어봐도 ‘질량을 부여한다’는 말은, 기사를 쓰는 나도 솔직히 제대로 모르면서 쓰는 수식어일 뿐이었다. 그러니 창피한 일이었다. 주변에서 기사가 난해하다는 말을 들을 때엔 자괴감도 들었다.

며칠 째 여러 자료를 찾고 읽고 했지만, 속시원하게 이해되지는 않았다. 아마도 저번에 쓴 글(“힉스 사냥의 풍경화, 세밀화”)에서도 고백한 대로, 힉스 입자는 대중의 관심을 끄는 ‘신의 입자’라는 별명을 지니고 있지만 그 진정한 의미와 내용은 이론물리학과 수학에 대한 많은 교육과 훈련을 받은 이들만이 충분히 이해할 것이다. 그래도 지구촌 뉴스에서 자주 등장하는 힉스 입자를 제대로 모르고서 지나칠 수는 없었다.

아래는 힉스에 관한 궁금증을 박성찬 전남대 교수의 도움말을 들어 일문일답 형식으로 정리한 글이다.  이어 그동안 찾아본 웹과 종이 자료들에서 힉스 입자를 좀 더 이해하는 데 도움이 될 만한 설명을 발췌해 실었다(뒷부분의 참고자료를 먼저 읽는 게 도움이 될 수도 있다). 2012년 새해는 ‘힉스 입자의 해’가 될 가능성이 높으니, 다 이해되지 않더라도 힉스의 정체에 관한 이야기에 조금이라도 더 귀 기울여야 하겠고, 그래서 아래에 정리한 ‘취재수첩’을 독자들과 나누고 싶다.

물리학의 표준모형을 보여주는 그림. 입자물리학에 따르면, 우주의 물질과 힘은 기본 입자들의 상호작용이다. 힉스 입자는 다른 기본 입자들과 상호작용해 입자들에 질량을 부여한다. 출처/ 물리학Wikimedia Commons, 국립페르미가속기연구소(Fermi Lab)

‘힉스!

너의 정체가 정말 궁금해’

- 박성찬 교수와 나눈 일문일답 -

여러 글을 찾아 읽었지만 여전히 알쏭달쏭한 마음으로, 박성찬 전남대 교수(물리학)한테 도움말을 청했다. 아래는 입자물리학의 문외한인 저와 박 교수가 전화로 나눈 이야기를 일문일답 형식으로 다시 구성해 정리한 글이다 (대화를 나중에 정리한 것이기에, 잘못된 표현이 있다면 정리한 저의 실수일 것입니다).

여러 자료들(맨 아래 참고글 참조)을 읽다보면 이해하기 힘든 대목이 더 많았습니다만, 그래도 힉스 입자라는 게 뭐고 왜 이 입자를 찾으려고 노력하는지 대강 이해는 되는 것 같습니다. 그러니까 ‘입자에 질량을 부여한다’는 말을 이해하려면 힉스장이라는 먼저 알아야 하겠군요. 힉스장 때문에 질량이 생겨나는 것이니까요.

“힉스장과 힉스 입자는 엄밀하게 보면 구분할 수 있습니다만, 그런 엄밀한 구분이 오히려 혼란을 불러일으킬 수도 있다는 생각이 드네요. 제 생각에는 ‘힉스장 = 힉스 입자’로 이해하는 편이 더 나을 것 같습니다. 그리고, 힉스장에 관해 조금 더 얘기하면…, 음, 힉스장을 이해하려면 먼저 진공에 대해 다시 생각해봐야 합니다. 진공은 흔히 아무 것도 없는 상태라고 생각합니다만, 우리 우주의 진공은 아무 것도 없는 백짓장이 아닙니다. 거기에는 사실 진공 에너지가 퍼져 있습니다. 진공 안에는 다양한 장이 양자요동을 일으키고 있는데, 이 모든 요동에 의한 에너지를 진공 에너지라고 부릅니다(아인슈타인의 고민거리였던 ‘우주상수’가 이런 진공에너지의 개념과 유사하지요). 힉스장은 그 진공에 채워진 장입니다. 그러니까 우리 우주의 진공은 우리 우주에서 고유한 에너지 값을 갖는 공간, 즉 독특한 값을 지닌 공간이지 절대적 의미에서 아무것도 없는 공간은 아닌 것입니다. 그런 진공에 힉스장이 채워져 있습니다(그리고 그런 힉스 진공기대치는 일정한 값을 지니고 있지요. 약 246 기가전자볼트(GeV)인데, 여기에서 ‘기대치’라는 말을 쓴 것은 양자역학이라는 게 확률을 따지는 것이기에 일종의 평균치로 제시되는 값이라는 의미를 지닙니다).”

우리 우주 공간의 밑자락에는 힉스장이 기본으로 깔려 있다? 이런 말씀인가요?

“네, 맞습니다.“

그러면 제가 전화를 드리는 이곳 사무실도, 또 박 교수가 지금 전화를 받고 있는 케이티엑스 안도 모두 다 힉스장에 있다는 말씀인가요?

“네, 그렇습니다.”

‘모든 입자에 질량을 부여한다’는데 또 무슨 뜻입니까? 질량은 부여받는 게 아니라 물질 자체의 속성 아닌가요?

“광자나 글루온 입자는 질량을 갖지 않습니다. 이 둘을 빼고 다른 모든 입자는 질량을 갖고 있습니다. 그러니까 어떤 입자는 질량을 갖고, 어떤 입자는 질량을 갖고 있지 않다고 얘기할 수 있습니다. 그러니까 질량 그 자체가 물질 안에 저홀로 들어 있는 속성이라고 생각할 수는 없지요. 물리학의 표준모형에서는 질량은 어떤 입자가 힉스장(또는 힉스 입자)와 상호작용을 함으로써 생기는 효과로 설명을 합니다. 상호작용을 많이, 강하게 하면 큰 질량인 것이고, 상호작용이 적고, 약하다면 작은 질량인 것이지요. 당연히 광자나 글루온처럼 질량 없는 입자들은 힉스장과 상호작용을 하지 않기 때문에 질량을 갖지 않는 것입니다. 중성미자는 매우 약한 상호작용을 합니다.“

1960년대에 힉스 입자의 존재 가능성을 제시한 피터 힉스 박사.  이후에 힉스 입자의 존재를 직접 확인하려는 여러 가속기 충돌 실험이 이어졌으나 아직 힉스 존재를 보여주는 직접 증거가 발견되지는 않았다. 출처/ Wikimedia Commons

몇 번 들어도 이해하기는 쉽지 않네요. 그래서 여러 글을 찾아 읽었는데, 조금 쉬운 설명에는 ‘입자들에 질량을 부여한다’는 것은 ‘입자들이 힉스장 안에서 수영하는 것과 같다’ 또는 ‘힉스의 흐름인 힉스 유체가 입자의 운동에 저항하는 것과 같다’는 비유를 하는데. 알쏭달쏭합니다.

“앞의 자료에서도 설명했듯이, 우주의 네 가지 기본 힘 중 세 가지인 전자기력, 약한 상호작용, 강한 상호작용은 모두 다 이런 상호작용을 매개하는 입자들이 다른 기본 입자들과 상호작용함으로써 생깁니다. 이와 비슷하게, 질량이라는 것도 힉스 입자와 다른 입자들 간의 상호작용에 의해 생긴다고 물리학의 표준모형은 설명하는 것입니다. 힉스장을 물이 가득찬 수영장이나 끈적끈적한 당밀이 가득찬 공간 정도로 상상해보세요. 입자들이 그 사이를 통과할 때에 어떤 저항이 생기겠지요. 그것이 바로 질량이라고 설명할 수 있는 것입니다. 앞의 답변에서도 말씀드렸지만, 그렇기 때문에 질량 없는 입자들은 힉스장과 상호작용 하지 않고 지나치는 입자이며, 질량 지닌 입자들은 힉스장과 상호작용을 하기 때문입니다.”

아참, 힉스장 말고 힉스 입자는 무엇입니까?

“힉스장 안에서 일어나는 양자요동, 그것이 힉스 입자다 이렇게 말할 수 있습니다. 힉스장이 양자화한 것을 말하는 것이지요. 힉스장에서 밀도가 매우 높고, 에너지가 매우 높은, 고밀도와 고에너지의 양자요동 상태를 힉스 입자라고 말할 수 있는 것이지요.”

힉스 입자는 실재하는 물질이기는 한 겁니까? 찰나만 존재하고 붕괴하고 또 질량이 아니라 에너지 단위로 표시되는데요. 힉스는 물질입니까, 에너지입니까?

“글쎄요. 우리가 흔히 눈으로 보고 손으로 만지는 그런 물질과는 당연히 다르겠지요. 양자 세계에 존재하는 물질이지요. 또 눈으로 볼 수 없고 만질 수도 없는 양자 세계에서도 힉스 입자는 우리가 아는 다른 기본 입자들과도 다릅니다. 잘 알려진 기본 입자로는 전자, 중성미자, 쿼크가 있는데, 이것들과는 다릅니다. 이런 것들은 핵을 만들고 원자를 만드는 데 쓰이는 직접 재료들이라고 말할 수 있습니다. 여러 종류의 쿼크들이 모여서 양성자나 중성자를 만들지요. 그런데 그런 쿼크들을 달라붙게 하는 데에는 또다른 입자가 필요합니다. 접착제 구실을 하는 글루온 입자가 쿼크들을 이어붙이지요. 기본 입자를 달라붙어 떨어지지 않게 하는 강한 상호작용의 힘을 매개하는 입자입니다. 이처럼 쿼크나 전자 같은 입자들(페르미온)과 상호작용을 하며 어떤 힘을 매개하는 입자들을 ‘보존’이라고 부르는데, 힉스 입자는 바로 그런 보존의 일종입니다. 그리고 힉스 질량은 종종 전자볼트라는 에너지 값으로 표현되기도 하는데요, 이는 에너지와 질량은 변환할 수 있다는 에너지 ? 질량 등가의 원리에 따르는 것입니다. 강한 양자요동으로 존재하는 힉스는 질량이자 에너지를 지니는 물질인 것이지요.“
[참조] “표준모형의 모든 입자들 중에서 절반가량(전자, 중성미자, 그리고 쿼크)이 페르미온이고, 다른 절반(광자, Z보손, W보손, 글로온, 그리고 힉스 입자)이 보손이다. 페르미온과 보손은 근본적으로 매우 다른 역할을 수행한다. 보통 우리는 물질이 원자로 이루어져 있다고 생각하는데, 원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있고, 원자핵은 어떤 단계에서는 양성자와 중성자 무더기가 핵력으로 달라붙어 있는 것이지만, 더 깊은 수준에서는 양성자와 중성자를 이루는 더 작은 구성 요소인 쿼크로 이루어져 있다. 이런 입자(전자, 양성자, 중성자, 그리고 쿼크)는 모두 페르미온이다. 물질은 페르미온들로 이루어져 있는 것이다. 하지만 보손이 없다면 양성자와 중성자는 물론이고 원자핵과 원자도 그저 부서져 버릴 것이다. 모든 것이 함께 붙어 있도록 하는 인력을 만드는 것은 페르미온들 사이를 왔다 갔다 뛰어다니는 보손들, 특히 광자와 글루온이다. 페르미온과 보손 모두 세상을 지금처럼 만드는 데 결정적으로 중요하지만 그것은 언제나 매우 다른 종류의 창조물로 생각된다.(서스킨드 지음, <우주의 풍경>, 340-341쪽)

입자마다 다른 질량 크기를 지니는데, 이것도 힉스 입자의 상호작용으로 설명되나요?

“입자마다 서로 다른 독특한 속성을 지니기 때문에 힉스 입자와 상호작용할 때 그 세기가 다를 것입니다. 그러니 힉스장과 많이 상호작용하는 입자는 결국 큰 질량을 지닌다는 뜻이고, 힉스장과 적게 상호작용하는 입자는 질량이 작다는 뜻이 되겠지요.”

유럽입자물리연구소의 컴퓨팅센터. 수천 명의 연구자들이 1000만 개의 전자신호가 초당 4000만 번 나오는 검출기에서 힉스 입자를 찾기 위해 노력하고 있다.

예를 들어 양성자는 일정량의 질량을 지니는데, 이런 양성자의 질량도 결국에 힉스장의 효과라는 말씀인가요?

“으음… 그건 조금 다릅니다. 양성자는 합성 입자입니다. 쿼크라는 기본 입자들 여러 개가 모여 양성자를 만들지요. 이런 쿼크 기본 입자들을 서로 떨어지지 않게 붙들어두는 데에는 강한 상호작용을 매개하는 글루온 입자가 있어야 합니다. 글루온이 쿼크들과 상호작용을 하는 것이지요. 그런데 이런 양성자 합성입자 안에서 여러 기본 입자들은 늘 요동합니다. 운동에너지가 있다는 것이지요. 에너지-질량 등가 원리에 따라 당연히 이런 운동에너지도 질량의 일부가 됩니다. 물론 힉스장 안에서 힉스 입자와 상호작용을 하면서 얻는 질량도 당연히 있습니다. 이 모든 것을 합할 때에 양성자라는 입자의 관성 질량이 되는 것입니다.”

그러면 힉스 입자가 직접 상호작용하는 것은 양성자, 중성자, 원자 이런 식의 큰 입자가 아니라 쿼크, 전자, 중성미자 같은 기본 입자들이라는 말씀이군요.

“네, 기본적으로 그렇습니다. 힉스 입자와 다른 기본 입자들 간의 상호작용에 관한 문제입니다.”

힉스장은 기본 입자들에 관한 이론이고, 현재 우리가 경험하는 거시세계에는 아무런 의미가 없는 얘기인가요?

“물론 기본 입자에 관한 이야기로 이해하는 게 가장 정확하겠지요. 그렇지만 힉스장은 저 우주 태초만의 이야기가 아니고 저 먼 우주 공간의 이야기도 아닙니다. 질량이 있는 우리 주변도 바로 힉스장 안에 있기 때문에 존재할 수 있는 것이지요. 만일 질량의 근원을 만드는 힉스장이 없다면 지금과 같은 거시세계는 당연히 존재할 수 없고, 우주는 전혀 다른 세상으로 진화해 왔겠지요. 음, 조금 더 정확하게 말씀드리면, 우리가 경험하는 거시세계의 많은 부분을 설명하는 화학 현상은 근본적으로는 분자 수준의 전자기적 상호작용에 의해 결정됩니다. 그런데 이런 분자의 성질은 또한 원자의 전자기적 상호작용으로 이해할 수 있습니다. 만약 힉스가 없었다면, 예를 들어 전자는 질량을 획득하지 못하고 따라서 원자를 형성를 형성하지 못할 것입니다. 따라서 지금 우리가 경험하는 거시세계의 기반 자체가 붕괴하는 셈이지요.”

오늘 얘기를 정리하면, 우리가 흔히 알고 있는 질량이라는 것은, 물리학의 표준 모형과 양자이론에 따르면, 기본 입자와 힉스의 상호작용에서 생겨나는 것이지, 어떤 입자 고유의 속성은 아니라는 뜻이 되는군요.

“질량은 입자의 고유한 속성이지요. 다만 그것이 그 입자만으로 저홀로 생겨나는 속성이 아니라 힉스 입자와 상호작용을 할 때에 비로소 고유한 크기로 생겨난다는 뜻입니다. 즉, 지금 거대 강입가 가속기에서 진행되는 실험연구는 기본 입자들 간의 상호작용에 관한 연구이며, 힉스 입자의 경우에는 질량의 근원과 관련해서 그런 상호작용을 하는 입자가 실제로 존재하는지를 밝히고자 하는 실험연구입니다. ”

그런데 궁금한 점이 또 있습니다. 힉스 입자가 다른 입자들에 질량을 부여한다고 하는데 그러면 힉스의 질량은 어디에서 오는 겁니까?

“사실 그것이 가장 큰 미스터리입니다. 힉스만은 유일하게 스칼라 입자이며 스스로 질량을 갖습니다. 또한 현재까지 힉스의 질량으로 예상되는 124 GeV/c2는 표준모형에서 생각할 수 있는 자연스러운 질량치가 아니거든요. 이보다 훨씬 무거울 것으로 예측해왔습니다. 그래서 힉스의 질량이 실제로 이처럼 작다면, 이를 설명할 수 있는 초대칭 이론이나 여분차원 이론이 주목받을 것 같습니다만, 점점 더 어려운 분야로 나아가니 이에 대한 설명은 여기에서 그치겠습니다.”

힉스장 이론은 초전도체 이론과 자주 비교가 됩니다. 그러면서 우리 우주는 거대한 초전도체와 같다는 말도 하던데요, 이 무슨 말인지요?

“조금 어려운 얘기입니다. 초전도체에서 전자의 움직임은 달라집니다. 보통의 자기장에서 전자는 자유롭게 운동합니다. 그러나 초전도체에서는 전자 둘이 쌍을 이루는, 즉 전자 둘이 상호작용을 해서 서로 구속하는 독특한 현상을 보여줍니다. 이른바 쿠퍼쌍 현상이라고 불립니다. 이처럼 우리 우주는 힉스 입자가 다른 입자들과 상호작용을 할 수 있는 어떤 독특한 장, 즉 힉스장 안에 있다는 말로 이해할 수 있습니다. 현재 우주의 진공이 힉스장이라는 일정한 크기의 에너지를 균일하게 지니고 있으니, 그 안에서 입자의 운동은 그런 일정한 힉스장의 영향을 받아 힉스장에서 나타나는 힉스 입자와 다른 입자들의 상호작용이 나타난다고 볼 수 있습니다. 우주 전체가 초전도체와 같다는 비유는 그런 의미로 받아들일 수 있습니다.”

힉스 입자가 발견되면 뭐가 달라지나요? 우리 생활이 바뀌는 것도 아니고…

“표준모형은 입자와 입자들의 상호작용에 관한 정교한 이론체계입니다. 많은 부분은 실제 관측에 의해 확인됐으나, 일부는 아직 증거 발견으로 입증되지는 못했습니다. 현재로서는 힉스 입자도 그런 이론상의 가상 입자일 뿐입니다. 그런데 우리 우주에 힉스장이 깔려 있다는 것을 입증해주는 힉스 입자가 발견된다면 힉스장 이론에 따라 질량의 근원을 해명할 수 있습니다. 이는 현대 물리학 표준모형이 완성된 체계임을 재확인하게 될 것입니다. 또한 힉스 입자가 발견되면 힉스 입자의 여러 속성에 관한 연구들이 진행되면서 우리 우주와 기본 입자에 대한 더 많은 이해를 가져다불 것입니다. 당장 우리의 생활 을 바꾸는 발견은 아니지만 우주와 물질에 대한 인류의 지식체계를 확장하는 데 큰 기여를 하리라 생각합니다. 물론 그런 지식 확장의 과정에서는 장기적 으로 볼 때에는 실생활에 영향을 주는 또다른 발견과 발명이 이어질 수도 있겠지만요”

현재 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)에서 이뤄지는 힉스 입자 검출실험은 어느 단계까지 와 있는지요?

“양성자 빔을 거의 빛의 속도로 가속해 서로 충돌시키면 양성자들이 작은 조각들로 쪼개지면서 엄청난 고에너지가 순간적으로 발생합니다. 양성자를 이루고 있던 기본 입자들이 튀어나오고, 또 고에너지 상태에서 새로운 입자들도 만들어지겠지요. 힉스도 찰나의 순간에 만들어집니다. 그러나 곧바로 붕괴하기 때문에 힉스 입자 자체를 검출하기는 어렵고, 힉스 입자가 붕괴해서 다른 입자들이 생성되는 붕괴의 패턴을 검출할 수는 있습니다. 표준모형에서는 힉스가 붕괴할 때에 감마선이 나오거나 W 보손, Z 보손 등이 생성되는 것으로 알려져 있습니다. 이런 붕괴 패턴을 역추적하면 힉스가 어느 정도의 고에너지 상태에서 존재하는지(즉 에너지-질량 등가 원리에 의하면, 얼마의 질량을 지니는지) 추적할 수 있습니다. 그동안 여러 실험을 통해서 힉스가 존재하지 않는 것으로 확인된 에너지 구간들이 하나씩 제외되면서, 이제는 그 존재 가능성을 보여주는 에너지 구간이 115~127GeV으로 좁혀져 왔습니다. 힉스 입자를 찾아낼 수 있는 ‘포위망’이 점점 좁아지고 있는 것이지요. 이런 추세라면 2012년에는 힉스가 진짜 존재하는지 아닌지 판가름이 날 것으로 예상됩니다. 현재로서는 힉스 입자를 발견할 가능성이 높다는 낙관론이 높은 편이지요.”

으음, 여전히 남한테 자신 있게 설명할 정도로 제가 충분하게 이해하지는 못한 것 같군요. 하지만 뭔가 흥미로운 사실들을 부분부분 알게 됐습니다. ^^;;;

“궁금하면 언제든지 전화 주세요. “

대략 정리를 해보면 이세상에는  17가지 기본 입자가 있다고 한다. 그중에는 원자의 중성자와 양성자등을 이루는 쿼크같이 질량을 가지고 있는 것도 있으며 광자나 글루온 같은 질량을 가지고 있지 않은 입자도 있다고 한다.

근데 쿼크가 질량을 가지고 있는 것은 입자 자체의 속성이 아니라 쿼크가 힉스입자와 반응을 하기때문이라는 것이다. 반응이라는 것은 곳 에너지이다. 에너지와 질량을 같은 개념으로 사용할수 있기에 쿼크와 힉스의 반응으로 질량이 생겨 난다는 것이다.

근데 17가지 입자중 광자와 쿼크들을 묶어주는 힘을 전달하는 글루온 등은 힉스와 반응하지 않아 질량을 가지고 있지 않고 쿼크등은 힉스와 반응으로 질량을 얻는데 힉스는 그자체 질량을 가지고 있다고 한다. 

힉스입자의 발견이 중요한 이유는 인류가 물질의 기본이 되는 원자수준에서의 표준모형의 큰그림을 완성했다는 것이다. 또한 우주탄생초기의 입자들과 그 과정등에 대해서도 더 많은 것을 알수 있게 되었다는  것이다.